登陆注册
5988900000012

第12章 力的瞬时作用规律——牛顿第二运动定律

1.牛顿第二运动定律的内容

牛顿第二运动定律指的是物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向相同。

如果用物理学的观点来看牛顿运动第二定律,还可以这样表达:物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比。也就是说动量对时间的一阶导数等于外力的和。

2.公式

现在多用F合=ma。在相对论中,F=ma这一公式是不适用的,由于质量是随着速度的变化而改变的,在相对论中牛顿原始公式现在仍然在使用。

其中,以下几点值得大家注意。

其一,该定律是力的瞬时作用规律,力和加速度都是同时产生、同时变化、同时消失的。

其二,由于F=ma是一个矢量方程,在应用时应该规定正方向,任何与正方向相同的力或加速度都要取正值,相反则取负值,通常情况下,取的正方向也就是加速度的方向。

其三,以力的独立作用原理为根据,如果利用牛顿第二运动定律来解答物体在一个平面内运动的问题时,可以将物体所受各力进行正交分解后进行力的合成和计算。然后利用牛顿第二运动定律的分量形式Fx=max和Fy=may,分别在两个互相垂直的方向上列出方程。

3.牛顿第二运动定律的五个性质

力和加速度都是矢量,质量为标量,其性质有:

同体性:F合、m、a与同一物体相对应。

瞬时性:当质量一定的物体,受到的外力突然发生变化时,与此同时,作为由力决定的加速度的大小和方向也要突然发生变化;当合外力为零时,同时加速度也为零,而且加速度与合外力保持一一对应的关系。该定律是一个瞬时对应的规律,能够说明力的瞬间效应。

矢量性:因为力和加速度都是一个矢量,所以物体加速度方向取决于物体所受合外力的方向。该定律的数学表达式为∑F=ma,中间的等号不仅是用来表示左右两边数值的相等,还表示方向的一致性,也就是说物体加速度方向与所受合外力方向是相同的。

相对性:在自然界中,有一种坐标系,当物体在这种坐标系中不受力时,仍然能保持匀速直线运动或静止状态,这就是我们所说的惯性参照系。该定律只在惯性参照系中才成立,然而地面和相对于地面静止或作匀速直线运动的物体同样也可以看作是惯性参照系。

独立性:作用在物体上的任何一个力,都能够各自独立产生一个加速度,各个力产生的加速度的失量和与合外力产生的加速度是相等的。

4.适用范围

由于测不准原理,当考察物体的运动线度可以和该物体的德布罗意波长互相比拟的时候,对于物体的动量和位置而言,已是不能够同时准确获知的量,正是这个原因,使得牛顿动力学方程缺少准确的初始条件,难以解答出来。换句话说,由于测不准原理,经典的描述方法已经没有以前的效果了,或者说需要修改。在量子力学中,利用希尔伯特空间中的态矢概念来代替位置和动量的概念,从而用来描述物体的状态,用薛定谔方程代替牛顿动力学方程,也就是含有力场具体形式的牛顿第二运动定律。

为什么会用态矢来代替位置和动量呢?这是因为测不准原理无法同时知道位置和动量的准确信息,不过还可以知道位置和动量的概率分布。我们所知道的测不准原理,对测量精度的限制仅仅在于二者的概率分布上存在的关系是确定的。

此外,我们所熟知的牛顿动力学方程并不是洛伦兹协变的,因此不能与狭义相对论相容。这样一来,当物体做高速移动时,便需要修改力、速度等力学变量的一些概念,只有这样才能使动力学方程满足洛伦兹协变这一要求。不仅如此,它在物理预言上也会随着速度的增加而接近光速,与经典力学有所区别。

不过,在这里值得注意的是,我们可以引入“惯性”使牛顿第二运动定律的表示形式能够用在非惯性系中。下面就是一个例子:

有一节车厢,相对地面以加速度为a做直线运动。在车厢的地板上放着一个质量为m的小球,如果假设小球所受的合外力为F,那么相对车厢的加速度也就是a‘。把车厢视为一个参考系,这样一来,牛顿运动定律自然不成立,也就是说F=ma’这一等式是不成立的。

换一种思维,如果以地面为参考系,可以得出这样一个结论:

F=ma对地

a对地在这一式中,是小球相对于地面的加速度。以运动的相对性为根据,可以得出a对地=a a。

然后将这一式子带入上式,就可以得出这样一个式子:

F=m(a a‘)=ma ma’

即F (-ma)=ma

这时,将Fo=-ma引入式中,称为惯性力,可以得到

F Fo=ma

事实上,这就是在非惯性系中使用的牛顿第二运动定律的表达形式。

由此可见,将牛顿第二运动定律应用于非惯性系中的时候,不仅需要真正的合外力,引入惯性力Fo=-ma也是必不可少的,它的方向与非惯性系相对惯性系(地面)的加速度a的方向是相反的,而大小与被研究物体的质量乘以a是相等的。

不过,在这里需要注意的是:当m(物体的质量)一定时,F(物体所受合外力)与a(物体加速度)成正比例关系这一说法是错误的。这是因为合力取决于加速度,如果换一种说法:当m(物体的质量)一定时,a(物体的加速度)与F(物体所受合外力)成正比。这一说法则是正确的。

5.解题技巧

在解题时,如果利用牛顿第二运动定律,第一步就要分析物体的受力情况、运动图景,然后将各个方向(一般为正交分解)的受力方程与运动方程列出来。与此同时,不要忘记寻找题目中的几何约束条件(如沿绳速度相等),再列出约束方程。将各方程得到物体的运动学方程联立起来,依据题目要求积分求解。

同类推荐
  • 青少年应该知道的黑洞

    青少年应该知道的黑洞

    本书首先介绍了黑洞的概念,又分别为我们介绍它的发现、分类、探索等。内容包括宇宙的垃圾场——黑洞学习篇等。
  • 疾恶如仇(中华美德)

    疾恶如仇(中华美德)

    青少年时期是品德形成的重要时期,对于以后的道德观的树立有着极大的影响,因此,从青少年时期就要给他们正确的引导,使之逐渐形成正确的道德认识、道德情感、道德行为和道德意志。本书通过故事告诉青少年孝、义、节、礼等传统道德规范和行为准则。在青少年学习传统文化的同时,也重新认识了“中国的美”。这对外来文化充斥审美和阅读的今天,有着一种增强民族自豪感,了解中华文化,从浮躁到宁静的“回归”的意义。《中华美德》便是从数不胜数的美德故事中摘取的具有代表性的事例,从孝敬父母、文明礼貌、诚实守信、正直无私、热爱祖国、立志发奋、友善互助等方面述说了一个动人的故事。希望故事中的精华能够滋养青少年纯洁的心灵。
  • 感悟一生的故事:心态故事

    感悟一生的故事:心态故事

    这套《感悟一生的故事》经过精心筛选,分别从不同角度,用故事记录了人生历程中的绝美演绎。本套丛书共30本,包括成长故事、励志故事、哲理故事、推理故事、感恩故事、心态故事、青春故事、智慧故事等,每册书选编了最有价值的文章。
  • 头发也能变钻石吗(最热最热的76个科学知识)

    头发也能变钻石吗(最热最热的76个科学知识)

    汽车轮胎不可以是彩色的吗?肥皂泡的温度竟然比太阳还高吗?可以钻隧道将其他国家的石油吸过来吗?……每当课堂上,你因为一些科学小实验所产生的奇妙结果而惊叹时,你是否有了更多对于科学的追问? 快快翻开这本《头发也能变成钻石吗》吧,你将在开怀大笑中,获得天文、地理、历史、文化、科学等方面许许多多有趣的知识。 本书由大米原创,雨霁编绘。
  • 我最想要的亲子情商游戏书

    我最想要的亲子情商游戏书

    提高孩子情商的意义,并不止于让孩子成为一个成功人士,更重要的是孩子可以从小做一个“快乐宝贝”,长大后成为一个性格积极、身心健康的社会人。高情商与后天的培养息息相关。孩子在儿童时期的可塑性最强,这一时期有意识地科学、合理地培养孩子的情商,将使他们受益一生。本书是科学、合理地培养孩子高情商的智慧锦囊。它依托于最新、最实用的教育理念,结合孩子的心理特点和认知规律,通过游戏的趣味形式调动孩子的兴趣,还可以充分培养孩子的意志力、沟通能力、个人情绪调节能力等情商能力,也可以使亲子关系在游戏中得到进一步提升。
热门推荐
  • 红尘皇后

    红尘皇后

    一代名妓董小宛是如何一步一步走上后位?又为何受到顺治帝独宠?她与顺治帝的爱情可谓生死相随,这背后又有怎样的故事?这个故事,就让我们从啪啪啪开始说起~
  • 脱线萌妻:腹黑殿下毒宠妃

    脱线萌妻:腹黑殿下毒宠妃

    她,逗比二货却以善待人。被陷害,被算计,却收获到从未拥有的亲情。阴谋阳谋中,她与他邂逅。他腹黑闷骚妖孽,他喜欢捉弄她,喜欢看她炸毛,喜欢赖皮的缠着她。她说要修炼,他陪她;她说要复仇,他陪她;她说要离开,呵~某骚男不淡定了。她跑,他追,她逃,他寻。这是一个天真不懂世事的女孩,在经历了撕心裂肺后,踏着血色荆棘一步一步成长为心狠果断女人的故事。【关注腾讯微博:云起-王冬儿】
  • 秦汉时期的女性观

    秦汉时期的女性观

    对于女性观,迄今还没有见到一个科学而明确的定义。顾名思义,女性观指的是人们对女性相对固定的看法。有的论著或者将其表述为妇女观。但事实上,女性观和妇女观是两个有着不同内涵的概念。本书内容包括:一般意义上的秦汉女性观、特殊视角下的秦汉女性观等,介绍了秦汉时期女性观的社会基础、特殊女性观的知识背景等。
  • 豪门娇女:冷酷警官别惹我

    豪门娇女:冷酷警官别惹我

    第一次见面时,他警告她不要多管闲事……第二次见面时,她千娇百媚对他讨好,却只换来他冷漠的逐客令……惨遭利用以后以为这一生不会再有关联,却不想生生牵绊,落入他布下的天罗地网中,无处遁逃……(1V1,宠文,HE)
  • 阳春集

    阳春集

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 网王之千黛

    网王之千黛

    她是樱井家族的耻辱,私生女的身份让她被欺凌致死。她是黑道界的帝王,一身暗杀本领出神入化。当她穿越成她。当世界巅峰的黑道帝王发现自己被打断双腿扔在无人的巷子,暗红色的冷眸乍现,今日的耻辱他日万倍奉还。
  • 误惹大神:债主休想逃

    误惹大神:债主休想逃

    她以为她一世孤苦,是命中注定。谁知是某大神强行掠夺……现在,他受到天谴,不还债不能活……冷笑:想还债?没门。某大神苦:你孤苦一世,我还你十世。十世不够,本尊再继续!
  • 一个人,一生

    一个人,一生

    他躺在病床上做了场梦,梦见到了过去,他和每个人相遇还有许多曾经的事,时而悲伤,时而美好。可梦醒之后,生活还得继续,或悲或喜我都还要走下去,因为还有人需要我
  • 霸道少爷变奴隶

    霸道少爷变奴隶

    希:“一个女生还穿得这么运动,哪有一点女孩子味道,而且还和我穿一样的衣服。”冰:“难道你很男人吗?头发和稻草一样,难道我就想和你穿一样的衣服吗?真是好笑,你要是真不乐意你现在就在大街上脱掉呀!”劲舞团,流行已久的网络游戏,已经上大一的我还是不会玩。在同学们的利诱下,我也开始学着玩起了劲舞,由于各性好强的我,不甘愿被人看不起而和一个不认识的男子定下赌约,结果可想而知,我输得非常惨,以至于把自己输给了那个陌生男子。没想到这个男子是我同校同学,而且还是我刚去ZZ理工大学时,去接站的那个和我穿一样衣服的人。什么?订婚?订婚对像还不是我?而是他表妹?意外的失忆,结果造成和我没有印象的未婚夫同居,而且他还有个调皮的奶奶。有喜欢这本书的朋友可以QQ群:61134355
  • 回雪剑

    回雪剑

    传统武侠风格,写人,写情,写故事,情节紧凑,笔致还算细腻。